Lua和C语言的交互详解

前言

对于Lua的基础总结总算告一段落了，从这篇博文开始，我们才真正的进入Lua的世界，一个无聊而又有趣的世界。来吧。

Lua语言是一种嵌入式语言，它本身的威力有限；当Lua遇见了C，那它就展示了它的强大威力。C和Lua是可以相互调用的。第一种情况是，C语言拥有控制权，Lua是一个库，这种形式中的C代码称为“应用程序代码”；第二种情况是，Lua拥有控制权，C语言是一个库，这个时候C代码就是“库代码”。“应用程序代码”和“库代码”都使用同样的API来与Lua通信，这些API就称为C API。

C API是一组能使C代码与Lua交互的函数，包括很多对Lua代码的操作。如何操作，操作什么，我们的文章我都会一一总结。C API是非常灵活而强大的。为了表示它的NB之处，不先来一段小的DEMO程序展示一下，怎么能够行呢？

复制代码 代码如下:
#include <iostream>
#include <string.h>
 
extern "C"
{
    #include "lua.h"
    #include "lauxlib.h"
    #include "lualib.h"
}
int main()
{
    char buff[256] = {0};
    int error;
    lua_State *L = luaL_newstate(); // 打开Lua
    luaL_openlibs(L); // 打开标准库
    while (fgets(buff, sizeof(buff), stdin) != NULL)
    {
        error = luaL_loadbuffer(L, buff, strlen(buff), "line")
            || lua_pcall(L, 0, 0, 0);
        if (error)
        {
            fprintf(stderr, "%s", lua_tostring(L, -1));
            lua_pop(L, 1); // 从栈中弹出错误消息
        }
    }
 
    lua_close(L);
    return 0;
}

如果你没有接触过C API，对于上面这段代码，你肯定不会明白它是干什么的。什么也不说，你运行一下吧。然后输入Lua语句，看看运行结果。

先对上述代码引入的几个头文件进行解释一下：

头文件lua.h定义了Lua提供的基础函数，包括创建Lua环境、调用Lua函数、读写Lua环境中全局变量，以及注册供Lua调用的新函数等等；

头文件lauxlib.h定义了辅助库提供的辅助函数，它的所有定义都以LuaL_开头。辅助库是一个使用lua.h中API编写出的一个较高的抽象层。Lua的所有标准库编写都用到了辅助库；辅助库主要用来解决实际的问题。辅助库并没有直接访问Lua的内部，它都是用官方的基础API来完成所有工作的；

头文件lualib.h定义了打开标准库的函数。Lua库中没有定义任何全局变量。它将所有的状态都保存在动态结构lua_State中，所有的C API都要求传入一个指向该结构的指针。luaL_newstate函数用于创建一个新环境或状态。当luaL_newstate创建一个新的环境时，新的环境中并没有包含预定义的函数（eg.print）。为了使Lua保持灵活，小巧，所有的标准库都被组织到了不同的包中。当我们需要使用哪个标准库时，就可以调用lualib.h中定义的函数来打开对应的标准库；而辅助函数luaL_openlibs则可以打开所有的标准库。

头文件说完了，如果对代码中的extern “C”不懂的同学，请看这里。然后，就没有然后了，然后我就先不解释了，等我将后面的内容总结完，再回过头来看，你会明白的更彻底。点击这里去下载完整项目工程。

栈

Lua和C语言通信的主要方法是一个无处不在的虚拟栈。几乎所有的API调用都会操作这个栈上的值；所有的数据交换，无论是Lua到C语言或C语言到Lua都通过这个栈来完成。栈可以解决Lua和C语言之间存在的两大差异，第一种差异是Lua使用垃圾收集，而C语言要求显式地释放内存；第二种是Lua使用动态类型，而C语言使用静态类型。

为了屏蔽C和Lua之间的差异性，让彼此之间的交互变的通常，便出现了这个虚拟栈。栈中的每个元素都能保存任何类型的Lua值，当在C代码中要获取Lua中的一个值时，只需调用一个Lua API函数，Lua就会将指定值压入栈中；要将一个值传给Lua时，需要先将这个值压入栈，然后调用Lua API，Lua就会获得该值并将其从栈中弹出。为了将C类型的值压入栈，或者从栈中获取不同类型的值，就需要为每种类型定义一个特定的函数。是的，我们的确是这么干的。

Lua严格地按照LIFO规范来操作这个栈。但调用Lua时，Lua只会改变栈的顶部。不过，C代码则有更大的自由度，它可以检索栈中间的元素，甚至在栈的任意位置插入或删除元素。

压入栈

对于每种可以呈现在Lua中的C类型，API都有一个对应的压入函数，我这里把它们都列出来：
复制代码 代码如下:
void lua_pushnil(lua_State *L);
void lua_pushboolean(lua_State *L, int bool);
void lua_pushnumber(lua_State *L, lua_Number n);
void lua_pushinteger(lua_State *L, lua_Integer n);
void lua_pushlstring(lua_State *L, const char *s, size_t len);
void lua_pushstring(lua_State *L, const char *s);

上面的函数非常简单，从命名就能知道它们的含义。这里不多说。稍后提供详细的实例代码供参考。由于这个栈并不是无限大的，当向栈中压入一个元素时，应该确保栈中具有足够的空间。当Lua启动时，或Lua调用C语言时，栈中至少会有20个空闲的槽。这些空间一般情况下是足够的，所有我们一般是不用考虑的，但总是会有特殊情况的，如果调用一个具有很多参数的函数，就需要调用lua_checkstack来检查栈中是否有足够的空间。

查询元素

API 使用索引来栈中的元素。第一个压入栈中的元素索引为1，第二个压入的元素所以为2，以此类推，直到栈顶。我们也可以用栈顶作为参考物，使用负数来访问栈中的元素，此时，-1表示栈顶元素，-2表示栈顶下面的元素，以此类推。有的情况适合使用正数索引，而有的情况下适合使用负数索引，我们可以根据实际需求，灵活变通。

为了检查一个元素是否为特定的类型，API提供了一系列的函数lua_is*，其中*可以是任意Lua类型。这些函数有lua_isnumber、lua_isstring和lua_istable等，所有这些函数都有同样的原型：

复制代码 代码如下:
int lua_is*(lua_State *L, int index);

实际上，lua_isnumber不会检查值是否为数字类型，而是检查值是否能转换为数字类型。lua_isstring也具有同样的行为，这样就出现一种状况，对于能转换成string的值，lua_isstring总是返回真，所以lua_is*这类函数在使用的时候，并不是非常的方便，所以，就出现了一个lua_type函数，它会返回栈中元素的类型，每种类型都对应一个常亮，这些常亮定义在头文件lua.h中，它们是:
复制代码 代码如下:
/*
** basic types
*/
#define LUA_TNONE        (-1)
#define LUA_TNIL        0
#define LUA_TBOOLEAN        1
#define LUA_TLIGHTUSERDATA    2
#define LUA_TNUMBER        3
#define LUA_TSTRING        4
#define LUA_TTABLE        5
#define LUA_TFUNCTION        6
#define LUA_TUSERDATA        7
#define LUA_TTHREAD        8

如果要检查一个元素是否为真正的字符串或数字（无需转换），也可以使用这个函数。

取值

我们一般使用lua_to*函数用于从栈中获取一个值，有以下常用的取值函数：
复制代码 代码如下:
lua_Number      lua_tonumber (lua_State *L, int idx);
lua_Integer     lua_tointeger (lua_State *L, int idx);
int             lua_toboolean (lua_State *L, int idx);
const char     *lua_tolstring (lua_State *L, int idx, size_t *len);
size_t          lua_objlen (lua_State *L, int idx);
lua_CFunction   lua_tocfunction (lua_State *L, int idx);
void           *lua_touserdata (lua_State *L, int idx);
lua_State      *lua_tothread (lua_State *L, int idx);
const void     *lua_topointer (lua_State *L, int idx);

如果指定的元素不具有正确的类型，调用这些函数也不会有问题。在这种情况下，lua_toboolean、lua_tonumber、lua_tointeger和lua_objlen会返回0，而其它函数会返回NULL。lua_tolstring函数会返回一个指向内部字符串副本的指针，并将字符串的长度存入最后一个参数len中。这个内部副本不能修改，返回类型中的const也说明了这点。Lua保证只要这个对应的字符串还在栈中，那么这个指针就是有效的。当Lua调用的一个C函数返回时，Lua就会清空它的栈。这就有一条非常重要的规则：

复制代码 代码如下:
***不要在C函数之外使用在C函数内获得的指向Lua字符串的指针***

所有lua_tolstring返回的字符串在其末尾都会有一个额外的零，不过这些字符串中间也可能有零，字符串的长度通过第三个参数len返回，这才是真正的字符串长度。

lua_objlen函数可以返回一个对象的“长度”。对于字符串和table，这个值就是长度操作符“#”的结果。这个函数还可用于获取一个“完全userdata”的大小，关于userdata，后面还会单独总结。

其它栈操作

除了在C语言和栈之间交换数据的函数外，API还提供了以下这些用于普通栈操作的函数：
复制代码 代码如下:
/*
** basic stack manipulation
*/
int   lua_gettop (lua_State *L);
void  lua_settop (lua_State *L, int idx);
void  lua_pushvalue (lua_State *L, int idx);
void  lua_remove (lua_State *L, int idx);
void  lua_insert (lua_State *L, int idx);
void  lua_replace (lua_State *L, int idx);

现在就来简单的说说这几个函数，lua_gettop函数返回栈中元素的个数，也可以说是栈顶元素的索引。lua_settop将栈顶设置为一个指定的位置，即修改栈中元素的数量，如果之前的栈顶比新设置的更高，那么高出来的这些元素会被丢弃；反之，会向栈中压入nil来补足大小；比如，调用以下语句就能清空栈：
复制代码 代码如下:
lua_settop(L, 0);

也可以使用负数索引来使用lua_settop。lua_pushvalue函数会将指定索引上值得副本压入栈。lua_remove删除指定索引上的元素，并将该位置之上的所有元素下移以填补空缺。lua_insert会上移指定位置之上的所有元素以开辟一个槽空间，然后将栈顶元素移到该位置。lua_replace弹出栈顶的值，并将该值设置到指定索引上，但它不会移动任何东西，只是替换了指定索引的值。说了这么多，总结了这么多，不来点真枪实干的，总是觉的很虚，上代码。点击这里去下载本篇博文中所有的代码工程吧。

C API出错了怎么办？

没有十全十美，没有任何bug的程序的。是的，再NB的人写的程序，也可能出现问题，有些问题不是我们控制范围之内的。既然我们无法控制问题的出现，但是我们对问题出现以后的行为进行处理，比如：出现问题了，弹出一个友好的message，这听起来还是不错的，很多程序都是这么干的。好吧，伙计，如果C API出错了怎么办呢？

Lua中所有的结构都是动态的，它们会根据需要来增长，或者缩小。是的，增长缩小，就涉及到内存的开辟与释放，这有可能会出错的，虽然我知道这个概率是很低的，但是对于程序员来说，对于任何可能出现问题的地方都要进行处理。这里有两种情况：

1.C调用Lua代码；
2.Lua代码调用C。

不是所有的API函数都会抛出异常。函数luaL_newstate、lua_load、lua_pcall和lua_close都是安全的。在第一种情况下，一般都是使用lua_pcall来运行Lua代码，由于lua_pcall是在保护的情况下运行lua代码，如果发生了内存分配错误，lua_pcall会返回一个错误代码，并将解释器封固在一致的状态；如果要保护那些与Lua交互的C代码，可以使用lua_cpcall，这个函数类似于lua_pcall。

对于Lua调用C，当将新的C函数加入Lua时，可能会破坏内存的结构。当我们为Lua编写库函数时（Lua调用C的函数），只有一种标准的错误处理方法。当一个C函数检测到一个错误时，它就应该调用lua_error，lua_error函数会清理Lua中所有需要清理的东西，然后跳转回发起执行的那个lua_pcall，并附上一条错误消息。在后面的博文中，会有这方面的代码实例的。